DIFUSION DE LOS GASES EN GASES Y GASES EN LIQUIDOS, SOLUBILIDAD, COEFICIENTE DE PARTICION

DIFUSION.-

Es el proceso esencial mediante el cual el oxigeno es incorporado al organismo y el CO2 es eliminado del mismo que ocurre debido al paso de las molculas de O2 y CO2 a travs de la membrana alveolo-capilar con paso de las molculas desde regiones de mayor concentracin a otras de concentracin mas baja. Es un proceso pasivo que resulta de la movilizacin cintica de las molculas y no necesita energa extra. La movilizacin inicial del O2 a travs de la barrera aire-sangre tiene lugar entre el gas alveolar y el plasma, pero cuando las molculas de O2 comienzan a acumularse en el plasma, se establece una nueva diferencia de concentracin entre el O2 plasmtico y el que se encuentra en el interior de los hematies, difundiendo el O2 al interior de los mismos donde la mayor parte se combina con la hemoglobina. ( 1 gramo de hemoglobina transporta 1,39 ml de O2 ).

En el pulmn el O2 difunde del gas alveolar hacia la sangre capilar porque la presin alveolar de O2 ( PAO2 ) es mayor que la presin de O2 en el capilar pulmonar. A nivel perifrico, la presin de O2 en la sangre capilar es mas alta que a nivel tisular con difusin del O2 al interior de las clulas.

Por medio de la difusin un gas puede ocupar el contenido de un recipiente en su totalidad distribuyndose de forma homognea como si el solo estuviera presente. La proporcin de difusin de un gas a travs de otro gas se relaciona de forma directamente proporcional con el gradiente de concentracin, la temperatura del sistema y el rea de seccin transversal e indirectamente proporcional con el peso molecular y la longitud de las vas de difusin (distancia que el gas tiene que recorrer para difundir ).

La distancia que tiene que recorrer un gas para difundir o longitud de las vas de difusin comprende el dimetro del alvolo y las estructuras que tiene que atravesar la molcula de gas alveolar hasta alcanzar la hemoglobina con la que se combina qumicamente. Entre estas estructuras que atraviesan las molculas de gas encontramos:

1.- Revestimiento de sustancia tensioactiva.

2.- Membrana epitelial alveolar ( esta formada por 3 tipos de clulas, los neumocitos I, II y III ).

3.- Membrana endotelial capilar

4.- Espacio intersticial.

5.- Capa de plasma en la sangre capilar.

6.- Membrana eritrocitaria.

7.- Liquido intracelular en el eritrocito.

La difusin puede alterarse cuando las vas se hacen mayores, lo que ocurre ante determinadas situaciones como son:

1.- Engrosamiento de la pared alveolar debido a crecimiento de tejido fibroso o a la presencia de clulas alveolares adicionales.

2.- Engrosamiento de la membrana capilar.

3.- Separacin de las 2 membranas por liquido de edema intersticial y exudados.

4.- Presencia de liquido o exudado intralveolar.

5.- Dilatacin de los capilares.

6.- Alteracin de la membrana o la forma del eritrocito aumentando la va de difusin ( es un concepto terico que no ha sido descrito en la practica ).

En todas estos trastornos hay bloqueo fsico a la difusin, denominndose en conjunto bloqueo alveolo-capilar.

En realidad la difusin del O2 y el CO2 se efecta entre los gases y los tejidos o sea entre una fase gaseosa y una liquida por lo que es importante considerar la solubilidad de los gases en los lquidos que esta regida por la Ley de Henry que establece que la cantidad ( volumen ) de un gas que puede disolverse en un liquido se relaciona directamente con la presin parcial del gas sobre el liquido, e indirectamente con la temperatura del sistema. Esta ley se aplica a los gases que no se combinan qumicamente con el solvente y expresa el coeficiente de solubilidad de los gases en los lquidos.

---Coeficiente de solubilidad del O2 en el plasma= 0,023 ml O2/ml sangre/760 mmHg de PO2.

---Coeficiente de solubilidad del CO2 en el plasma = 0,510 ml CO2/ ml sangre/ 760 mmHg de PCO2.

Las solubilidades relativas del O2 y CO2 expresan los ml del gas que se disuelven en 1 ml de agua a 37 *C cuando la presin de dicho gas esta a una atmsfera y se puede calcular por la siguiente ecuacin:

Solubilidad del CO2 0,510 22

Solubilidad del O2 = 0,023 = 1

Esto explica la mayor rapidez de difusin del CO2, en relacin con el O2, entre al gas alveolar y la sangre capilar.

CAPACIDAD DE DIFUSION.-

Es la capacidad de las membranas alveolo-capilares para intercambiar o conducir gases. Indica la cantidad de un gas que se difunde a travs de la membrana alveolo-capilar por unidad de tiempo en respuesta a la diferencia de las presiones medias de dicho gas dentro del alvolo y dentro del capilar pulmonar.

Capacidad de difusin = Flujo / Presin de impulsin media

DLG = VG / PAG PEG

Donde: DLG = capacidad de difusin del gas. VG= cantidad del gas que difunde a travs de la membrana alveolo-capilar en la unidad de tiempo. PAG y PEG = presiones del gas dentro del alvolo ( A ) y dentro del capilar ( E ).

La disminucin del rea de la membrana alveolo-capilar, el aumento del grosor de dicha membrana y la alteracin del volumen sanguneo capilar pulmonar son factores que afectan la capacidad de difusin. La capacidad de difusin puede ser normal a pesar de ocurrir un aumento en el espesor de la membrana alveolo-capilar ( edema intersticial ) cuando simultneamente se incrementa el rea de difusin ( numero de capilares funcionantes ).

LAS LEYES DE LOS GASES

Para comprender el transporte de oxgeno por la hemoglobina de la sangre y su inercambio en los capilares es necesario tener en cuenta alguna de las leyes de los gases.

Ley de Boyle

La ley de Boyle establece que la presin de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente. Esto quiere decir que si el volumen del contenedor aumenta, la presin en su interior disminuye y, viceversa, si el volumen del contenedor disminuye, la presin en su interior aumenta.

La ley de Boyle permite explicar laventilacin pulmonar, proceso por el que se intercambian gases entre la atmsfera y los alvolos pulmonares. El aire entra en los pulmones porque la presin interna de estos es inferior a la atmosfrica y por lo tanto existe un gradiente de presin. Inversamente, el aire es expulsado de los pulmones cuando estos ejercen sobre el aire contenido una presin superior a la atmosfrica. Este mecanismo es estudiado con ms detalle en el apartado "mecnica de la respiracin pulmonar"

Ley de Charles

La ley de Charles establece que el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta, asumiendo que la presin de mantiene constante. Esto quiere decir que en un recipiente flexible que se mantiene a presin constante, el aumento de temperatura conlleva un aumento del volumen.

La ley de Charles se aplica en la respiracin: cuando el aire entra en los pulmones, generalmente ms calientes que el ambiente, se expanden aumentando el volumen pulmonar.

Ley de Dalton

La ley de Dalton establece que en una mezcla de gases cada gas ejerce su presin como si los restantes gases no estuvieran presentes. La presin especfica de un determinado gas en una mezcla se llamapresin parcial,p. La presin total de la mezcla se calcula simplemente sumando las presiones parciales de todos los gases que la componen. Por ejemplo, la presin atmosfrica es:

Presin atmosfrica(760 mm de Hg) =pO2(160 mm) +pN2(593 mm Hg) +pCO2(0.3 mm Hg) +pH2O(alrededor de 8 mm de Hg)

Ley de Henri

La ley de Henri establece que la solubilidad de un gas en un lquido es proporcional a supresin parcialy a sucoeficiente de solubilidad, asumiendo que la temperatura permanece constante.La ley de Henri explica, por ejemplo, lanarcosis nitrogenada, o intoxicacin que se manifiesta en los buceadores que respiran aire en botellas cuando la presin por la profundidad disuelve grandes cantidades de nitrgeno en la sangre. Altas concentraciones de este gas producen un efecto narcotizante. Adems, la ley de Henri tambin explica porqu al retornar a la superficie los buceadores deben subir escalonadamente para permitir que el nitrgeno disuelto en la sangre se libere al disminuir la presin. De no hacerlo as, el buceador corre el riesgo de experimentar lossntomas de la descompresin, resultantes de las burbujas de gas que se desprenden de la sangre al retornar a la presin atmosfrica.

El gas solubilizado en el lquido ejerce una presin, o tensin, igual a laque se encuentra en lamasa gaseosa. Ambas presiones equilibran el proceso dinmico de traspaso molecular entre las dosfases. En las mezclasgaseosas cada componente se solubilizaindependientemente de los dems, obedeciendo a supresin parcial y a su coeficiente de solubilidad en ese lquido. La solubilidad de un gas se puede definir utilizando diferentes coeficientes. En anestesiologa se utilizan el coeficiente de solubilidad de Ostwald y el coeficiente de particin o de distribucin

Coeficiente de solubilidad de Ostwald

Se define como el volumen de gas que se disuelve en la unidad de volumen delquido a una temperatura determinada.

Coeficiente de particin o distribucin

Pues describe la distribucin de una sustancia entre dos fases. Se define como la relacin entre las cantidadesde gas disuelta en iguales volmenes de dos fases a una temperatura determinada. Si una de las fases es gaseosa, entonces el coeficiente de particin es el mismo que el de Ostwald. El coeficiente de particin se usa cuando las dos fases son slidas o lquidas tales como aceite-agua o tejido-sangre. El coeficiente de particin entre dos fases se puede determinar a partir de los valores delos coeficientes de Ostwald en cada una de las fases, as, suponiendo que 1es el coeficiente tejido-gas y 2 el coeficiente sangre-gas, 1 / 2ser igual al coeficiente de particin tejido-sangre. Los conceptos relacionados con la dilucin de los gases son de gran trascendencia en la absorcin, distribuciny eliminacin de los gases anestsicos en el organismo.

DIFUSIN DE GASES. LEY DEGRAHAM

La difusin es una de las formas de transferencia de materia en la que los desplazamientos o transferencias moleculares se hacen a expensas de movimientos intrnsecospropios de esas partculas, desde zonas de mayor concentracin a otras con concentracin menor.El gradiente de presin parcial del gas es equivalente al gradiente de concentraciones. La difusin se puede realizar entre sustancias puestas entre ntimo contacto, o tambin cuando entre ellas seinterpone una membrana semipermeable. La difusin entre gases permite la mezcla entre ellos en un tiempo muy breve, mientras que cuando es con un lquido el tiempo es mucho mayor. Los movimientos moleculares estn en relacin directa a la temperatura y por lo tanto tambin la velocidad de difusin. De acuerdo con la teora cintica de los gases, la velocidad de difusin es inversamente proporcional a la raz cuadrada de sus pesos moleculares, por ello las sustancias de peso molecular msbajo difunden ms rpidamente.

Estos conceptos los refiere:

Ley de Graham

Que dice que a iguales presiones parciales, la difusin de los gases es inversamente proporcional a la raz cuadrada de las pesos moleculares:

Difusin 1 / PM -2

Como la densidad de los gases est en relacin directa a sus pesos moleculares, tambinse puede expresar la ley de Graham en relacin a la densidad en lugar de los pesos moleculares:

Difusin 1 /-2

En las mezclas gaseosas la difusin de cada componente se hace independientemente delos dems y en relacin con el gradiente de su presin parcial. Sin embargo, entre los lquidos ladifusin obedece a las concentraciones de losmismos, esto constituye

la ley de Fick

.En la difusin de los gases del alvolo hacia los tejidos influyen los siguientes factores:- Peso molecular del gas (ley de Graham)- Gradiente alvolo-capilar de presiones parciales del gas (ley de Fick)- Solubilidaddel gas enagua (membrana alvolo-capilar)- Solubilidad delgas en la sangre- Superficie alveolar total- Espesor delas membranas alvolo-capilares- Temperatura- Diferencias deconcentracionesTodos estos factores se han de tener en cuenta al estudiarla velocidad de difusin relativaentre los distintos gases que pueden estar en el alvolo durante la anestesia, pues si sloaplicramos la ley de Graham el resultado podra inducir a error. Por ejemplo, por esta leysabemos que las velocidades de difusin del oxgeno y del xido nitroso estn en relacin a suspesos moleculares, por lo cual podemos calcular las velocidades de difusin relativas del uno alotro de laforma siguiente:

PMO 2 =32PMN 2O=44 Difusin O2= 1/32 -2 =0,177 DifusinN2O = 1/44-2 =0,151 Difusin O2/ Difusin N2 O = 0,177 / 0,151 = 1,17

Esto significa que el oxgeno difunde 1,17 veces ms rpido que el xido nitroso, no obstante, la influencia del conjunto de factores que intervienen en la difusin, hace que el xido nitroso difunda 20 veces ms rpido que eloxgeno.

LEY DE BOYLE-MARIOTTE

Estos autores estudiaron la compresibilidad de los gases a finales del siglo XVII, su ley dice: El volumen de una determinada masa de gas seco, a temperatura constante, vara de modo inversamente proporcional a lapresin a la cual sele somete.

Podemos ilustrar esta ley con una jeringa, que de hecho si tapamos su pico es un sistemade cilindro y pistn, si contiene por ejemplo 10 ml de aire sin estar sometida a otra presin quela atmosfrica, un aparato que nos midiera la presin interna marcara 0 de presin relativa, o loque es lo mismo 1 atmsfera de presin absoluta, si ejercemos una presin hasta conseguirreducir el volumen de aire a la mitad, el medidor de presin marcar 1 atmsfera, lo quecorresponde a 2 atmsferas absolutas.

Resumiendo, 1 atm x 10 ml = 2 atm x 5 mlEn definitiva,PiVi= PfVf

dondePi, Vi, Pf, Vf sonlas presiones yvolmenes iniciales yfinales respectivamente

ECUACION GENERAL DE LOS GASES

Correlacionando las leyes de Boyle-Mariotte, Charles y Gay Lussac se puede inferir que:

P V / T = K

Para una misma masa gaseosa, los valores iniciales y finales de sus variables conformanuna constante cuyo valor se ve reflejada en la ecuacin general de los gases:

PiVi/ Ti= PfVf/ Tf

ECUACION DE ESTADO PARA UN GASIDEAL

Pc

T1LIQUIDOT2T3 = cte. LIQUIDO VAPORVAPOR T4T5

VcV

Al estudiar laprimera isoterma T1, que corresponde a la de mayor temperatura, cuando elgas se comprime disminuye su volumen V y aumenta la presin P, de forma que cumple la ley de Boyle-Mariotte y si es un gas ideal dicha isoterma corresponder a una hiprbola equiltera (PV=K) .Al observar la isoterma T5, que corresponde a la de temperatura menor representada, vemos que por la derecha corresponde el mayor volumen y menor presin. Cuando Vdecrece en esa isoterma,Paumenta hasta que alcanza el rea marcada por la curva de trazos discontinuos. En ese punto, parte del gas pasa a lquido, por lo tanto tendremos las dos fases lquida y gas a la misma temperatura y presin. El recipiente contendr lquido en su parte inferior y el resto estar relleno de gas, que en este equilibrio lquido-gas se denomina vapor

Al seguir reduciendo el volumen V, la presin no aumenta. Sin embargo, se va transformando ms cantidad de vapor en lquido. Conforme se desplaza esa isoterma a la izquierda la cantidad de lquido va aumentando hasta que se alcanza el lado izquierdo de la curva de trazo discontinuo, donde en ese punto no hay vapor pues todo ha pasado a lquido. Al seguir intentando reducir el volumen la presin se eleva de forma muy marcada, pues en ese momento se est intentando comprimir un lquido. El rea marcada como LIQUIDO-VAPOR en la figura 4, indica una zona en la que el lquido y el vapor estn en equilibrio. Si aumenta la temperatura, la zona de equilibrio es mspequea (trazo horizontal de la isoterma), hasta que en la isoterma T3 desaparece. Esa temperatura se denomina

temperatura crtica, Tc, y es la mxima a la que una sustancia puede licuarse aplicando presin. En otras palabras, por encima de esa temperatura la sustancia estar en fase gas a cualquier presin. La presin necesaria para licuar al gas que est a temperatura crtica se denomina presin crtica

BIBLIOGRAFIA:

1. Cromer. H. Alan. Fisica para las ciencias de la vida. 2da edicin. Editorial Revrte. Pag: 243-262. 1998

2.www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mvelez/DocenciaMaster/Apuntes/DIFUSION GASES.pdf